科学家首次实时观测单个声子消失，量子计算纠错研究迈出重要一步
斯坦福大学于9月26日发布消息，该校科研团队首次在实时状态下捕捉到单个“声子”消逝的量子跃迁现象。相关研究论文已于当地时间9月17日刊登在《科学》杂志上。
与“光子”的概念相似，“声子”是声音在量子层面的最小离散能量单元。在宏观世界里，铃声或音叉的振动会逐渐减弱，但在量子领域，振动能量并非持续衰减，而是以离散的阶梯形式发生突变，这种瞬间转变被称为“量子跃迁”。
该研究由斯坦福大学应用物理学教授Amir H. Safavi-Naeini领导。他指出，能够探测到声子的量子跃迁，可能有助于解决量子计算中的关键难题——识别计算过程中何时出现错误，因为在许多量子计算架构中，量子跃迁本身就代表一次计算错误。
实验的核心是一个微型机械谐振器，其工作原理类似于微小的音叉。研究人员将其与超导量子比特连接，使得量子比特既能储存量子信息，又能充当探测器，在不破坏振动量子态的前提下持续读取谐振器的状态。
其中，超导量子比特是一种利用超导电路实现的量子比特，是目前量子计算研究中最主流的技术路径之一。
为了实现实时追踪，团队制造了寿命极长的谐振器。它能够持续振动约2毫秒，相当于一个普通尺寸的音叉若具备相同比例的性能，可持续鸣响数小时。这段异常持久的振动衰减时间，使研究人员得以连续进行数百次测量。
在持续测量过程中，量子比特能够区分“存在一个声子”和“没有声子”两种状态。随着数据不断积累，研究人员最终捕捉到谐振器从数字“1”跃迁到“0”的瞬间，也就是单个声子完全消失的过程。
这一成果延续了量子跃迁研究超过百年的发展历程。量子跃迁理论于20世纪初提出，1986年首次在囚禁离子实验中得到验证，2007年又在光子系统中实现观测。而此前针对声子的实验仅能提供间接证据，尚未实现对单次跃迁的实时直接追踪。
研究团队认为，这项技术不仅有助于提升量子计算的纠错能力，还能推动高精度量子传感的发展。由于谐振器采用芯片制造工艺制备，可在单块芯片上集成大量器件，未来有望用于超灵敏检测。
Safavi-Naeini团队目前正与加州理工学院物理学家Michael Roukes团队合作，探索利用这一平台在细胞内部检测和识别蛋白质。研究人员还表示，对声音的精细量子控制未来可能改善智能手机等依赖声学技术的消费电子设备。